[發明專利]寬光譜范圍的半導體工藝兼容高光譜成像芯片設計方法

有效

• 申請號: 201910184639.2
• 申請日: 2019-03-12
• 公開（公告）號: CN109798979B
• 公開（公告）日: 2021-02-12
• 發明（設計）人: 劉舒揚;王天鶴;張晨;呂津瑋;賈曉東
• 申請（專利權）人: 天津津航技術物理研究所
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28;G01J3/42;G01J3/12;G01N21/31;G01N21/359;H01L27/146
• 代理公司: 中國兵器工業集團公司專利中心 11011
• 代理人: 王雪芬

本發明涉及一種易加工的寬光譜范圍的半導體工藝兼容高光譜成像芯片設計方法，涉及半導體技術領域。本發明提供一種寬光譜范圍、高光譜分辨率，高信噪比的FPI的腔鏡設計，實現了一種寬光譜范圍，高光譜分辨率，高信噪比的工藝兼容高光譜成像集成芯片。其中在設計半導體工藝的高光譜成像芯片時，考慮到高光譜需要涵蓋更多的譜段數，通過對成像芯片結構的布拉格膜系的中心波長設計，并對布拉格鏡膜系中心波長進行了優化設計，展寬了高光譜成像芯片的可用光譜范圍，保證了FP腔長改變或調諧波長的過程中，濾波帶寬的最優化，避免可用光譜范圍變窄，邊緣譜段的分辨率變差，信噪比變差，導致識別目標的特征譜段無法被區分等問題。

技術領域

本發明涉及半導體技術領域，具體涉及一種易加工的寬光譜范圍 的半導體工藝兼容高光譜成像芯片設計方法。

背景技術

高光譜成像技術是一種將傳統的二維成像技術與光譜分析技術 有機結合在一起的新方法，其根據物質對不同波長電磁波的反應來實 現對于物質的識別和測量。高光譜成像系統(Hyper Spectral Imaging， 簡稱HSI)，可以獲得二維空間圖像信息與一維光譜信息構成的具有 “圖譜合一”特性的三維光譜圖像，它既可以觀測到二維分布的空間 信息，又可以觀測到每一個像素點上的光譜信息。

圖像空間信息反映目標物的大小、形狀和缺陷等外部特征，光譜 信息能夠反映目標物體的物理和化學成分。因此可以通過分析處理光 譜信息來識別物質材料、材質和組份等理化信息，還可以通過圖像的 空間信息快速地、直觀地識別相關位置和范圍。

光譜成像的檢測功能使其在眾多領域具有巨大的應用潛力，例 如，食品質量安全監控、精細農業、礦業勘探開采、地表地質分析、 天文學、環境分析及監控、醫療診斷、生化分析、安防和軍事等。

1)傳統高光成像系統的缺點

以經典空間掃描式的高光譜成像系統為代表的傳統光譜成像系 統結構，在經典的HSI系統中，由于系統是基于單個分立器件的，為 了保證空間分辨率和光譜分辨率，必須引入物鏡、光闌、準直器、各 類透鏡等光學器件，同時必須考慮各種器件之間的聚焦、準直問題， 這就導致傳統的HSI系統復雜度很高，體積較大，成本很高，應用范 圍受到極大限制。同時，在傳統架構中，由于分立的光學元器件的分 光性能對光波長較為敏感，當應用需求發生改變，比如不同波長及不 同分辨率的要求等，整個光學系統的架構需要重新設計以適應特定的 需求，這極大地增加了系統再設計的復雜度。

受限于傳統HSI系統架構的上述局限性，特別是由于光譜分光單 元(如光柵或棱鏡)的引入所引起的附加光學器件導致的系統復雜度 提升(系統本身結構復雜度及再設計的復雜度)，目前市場上主要 HSI系統多為面向科研及大型檢測單位應用，應用范圍及平臺的選擇 都十分受限。針對傳統的HSI技術瓶頸，很多研究者開展了以光譜分 光單元為切入點的HSI系統小型化、輕型化和低成本研究工作。

2)集成化的趨勢

近年來，隨著集成電路技術的發展，微電子機械系統(MEMS)， 微光電子機械系統(MOEMS)也取得了長足的發展。利用微納加工 技術，制備納光學器件，甚至實現微納光學器件與IC芯片上的集成， 從而實現傳統光學系統的微型化、集成化。

高光譜成像由以前的系統級，現在已經微型化到芯片級，既可以 作為微光機電分光鏡器件(MOEMS)搭在手機的鏡頭上使用，又可 以直接把分光鏡單片集成到CMOS圖像傳感器之上。最常見微型化 的光譜過濾器件即為上文提及的法布里-珀羅干涉腔結構，光進入FPI 后，在兩個反射平面進行反射，光波在FPI內發生多光束干涉現象， 只有滿足其共振條件波長的光，才會透射出腔體。如果入射光是一個 寬譜光源，則出射光就是只有滿足共振條件波長的光波，而且波長與 透明夾層厚度有一定的正比關系。但對于單個固定腔體厚度的法珀過 濾器來說，其可過濾波長有限，無法滿足一些光譜圖像需要多個光譜 波段信息的需要。因此，研究人員通常采用靜電驅動的可調制腔體或 遞變腔體厚度的法珀腔陣列這兩種方案來解決。這也是目前業界最主 流的兩大發展方向。